基于灰色關(guān)聯(lián)的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性評(píng)估

程 琤

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

由于我國西北地區(qū)氣候、環(huán)境等自然條件比較惡劣，建筑物長期處于惡劣的環(huán)境中，會(huì)使混凝土受到多因素耦合作用，減少混凝土的使用壽命[1]。在工程建設(shè)中，只有了解把控多因素耦合作用發(fā)展趨勢，才能獲取能夠增強(qiáng)混凝土材料耐久性的配合比，為特殊環(huán)境下混凝土的配比與應(yīng)用提供參考。在西北地區(qū)景泰川電力提灌工程中，筆者引入灰色關(guān)聯(lián)度分析法，采用碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)加濕試驗(yàn)，對(duì)混凝土材料進(jìn)行多因素耦合作用下的耐久性試驗(yàn)。獲得基于灰色關(guān)聯(lián)的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性評(píng)估結(jié)果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和方案設(shè)計(jì)

首先考慮景泰川電力提灌工程所在區(qū)域的氣候特征，并通過水膠比、粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響以及水工混凝土建筑物的服役環(huán)境，設(shè)計(jì)混凝土材料的配比，如表1所示。

表1 混凝土材料的配比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)運(yùn)用人工加速鹽離子侵蝕與加速干濕循環(huán)方法完成試驗(yàn)，采用強(qiáng)度為42.5級(jí)水泥作為混凝土試塊，將汝河河砂作為細(xì)骨料材料，將5～25mm表面粗糙的連續(xù)級(jí)配碎石作為粗骨料，該碎石質(zhì)地較堅(jiān)硬[2]。試驗(yàn)測試質(zhì)量和動(dòng)彈模量運(yùn)用120mm×120mm×380mm 的長方體作為試驗(yàn)試件。

首先將混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，取出后再進(jìn)行28d 的碳化處理，試驗(yàn)前2 天將試塊從養(yǎng)護(hù)室中取出。檢測該試件的各項(xiàng)初始值，然后將試件放入烘干箱內(nèi)，在低于60℃的條件下進(jìn)行烘干，烘干時(shí)長為48h。試件碳化至28d時(shí)將其取出。試件每進(jìn)行十次硫酸鹽干濕循環(huán)后，進(jìn)行一次測試，主要測試試件的質(zhì)量、動(dòng)彈模量與抗壓強(qiáng)度[3-4]。依據(jù)混凝土材料的試驗(yàn)規(guī)程，當(dāng)混凝土模量高達(dá)60%，質(zhì)量損壞程度達(dá)到5%，或已經(jīng)進(jìn)行120次干濕循環(huán)時(shí)結(jié)束試驗(yàn)[5]。

1.2 測試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率與相關(guān)動(dòng)彈性模量作為評(píng)估指標(biāo)。

（1）首先在不同水膠比情況下，測試混凝土試件的耐久性，如圖1所示。根據(jù)圖1可見，在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)加濕多因素耦合作用下，水膠比為0.44、0.49、0.54的混凝土試件耐久性評(píng)估指標(biāo)的整體趨勢相同。混凝土的緊密程度會(huì)隨著水膠比的降低而提高，然而混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量會(huì)隨著水膠比的提高而降低速率，增加質(zhì)量損失速度，最后導(dǎo)致混凝土試件的質(zhì)量損失極大，沒有質(zhì)量穩(wěn)定階段。

圖1 不同水膠比混凝土試件的耐久性

（2）在不同粉煤灰摻量情況下，測試混凝土試件的耐久性，如圖2所示。

圖2 不同粉煤灰摻量下混凝土試件的耐久性

根據(jù)圖2可見，在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)加濕多因素耦合作用下，摻加一定量的粉煤灰可以增加混凝土材料的耐久性，降低混凝土材料的劣化程度。在一定范圍內(nèi)，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)與損失率會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而提高，但并不是粉煤灰摻量越多越好，根據(jù)試驗(yàn)可知粉煤灰的最優(yōu)摻量大約在20%～30%的范圍內(nèi)。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的混凝土耐久性評(píng)估

混凝土材料耐久性評(píng)估，要以灰色關(guān)聯(lián)度作為評(píng)估依據(jù)，具體計(jì)算公式為：

評(píng)估混凝土材料耐久性時(shí)，首先對(duì)中間層次的各試件進(jìn)行耐久性評(píng)估，并以試件的耐久性評(píng)估結(jié)果作為初始值，再以此計(jì)算歸一化值、指標(biāo)權(quán)重、關(guān)聯(lián)系數(shù)，最終確定灰色關(guān)聯(lián)度，以此劃分混凝土材料耐久性等級(jí)。

基于灰色關(guān)聯(lián)度大小，混凝土材料耐久性評(píng)估狀態(tài)分為5級(jí)，具體如表2所示。

表2 混凝土材料耐久性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2可知，如果評(píng)估等級(jí)為1級(jí)或2級(jí)，說明此時(shí)混凝土材料無需進(jìn)行修復(fù)，只需要進(jìn)行日常維護(hù)即可；如果評(píng)估等級(jí)為3級(jí)，說明需要對(duì)混凝土材料進(jìn)行修復(fù)才能恢復(fù)其安全性；如果評(píng)估等級(jí)為4級(jí)，說明需要對(duì)混凝土材料進(jìn)行安全性評(píng)估，并采取相應(yīng)措施及時(shí)修復(fù)；如果評(píng)估等級(jí)為5級(jí)，那么應(yīng)該立即提出解決方案，盡快修復(fù)混凝土材料。

3 試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算P2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)和每10次循環(huán)后各評(píng)估指標(biāo)相對(duì)于最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，具體如表3所示。

表3 各評(píng)估指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)表3所見，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)整體呈下降趨勢，在循環(huán)30次的時(shí)候，關(guān)聯(lián)系數(shù)的值最高。說明多因素耦合作用下混凝土材料干濕循環(huán)30次時(shí)耐久性最好。

根據(jù)本文方法計(jì)算得出多因素耦合作用下混凝土材料各評(píng)價(jià)指標(biāo)在循環(huán)后對(duì)于最優(yōu)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度為R=（0.872，0.921, 10.999, 0.892, 0.781, 0.611, 0.533, 0.462,0.407,0.365）。采取同樣計(jì)算方法可以獲得每個(gè)試驗(yàn)組在每次循環(huán)后相對(duì)于最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，具體如表4所示。

表4 各試驗(yàn)組關(guān)聯(lián)度值

根據(jù)表4可見，在試驗(yàn)的前20天，混凝土材料的耐久性關(guān)聯(lián)度值并未達(dá)到最高值，而最高值出現(xiàn)在第30天，但這種現(xiàn)象并不能代表混凝土材料在20天內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)損傷。多因素耦合作用下混凝土材料耐久性關(guān)聯(lián)度值的變化趨勢均為先上升再下降，關(guān)聯(lián)度最大值均出現(xiàn)在第30天，說明混凝土材料整體上出現(xiàn)了耐久性先增強(qiáng)再下降的過程。當(dāng)試驗(yàn)第50天時(shí)，混凝土材料耐久性處于優(yōu)等狀態(tài)，當(dāng)試驗(yàn)80天時(shí)，混凝土材料耐久性處于低劣狀態(tài)。通過對(duì)比各試驗(yàn)組在不同時(shí)期的關(guān)聯(lián)度值可知，無論何時(shí)，P組的關(guān)聯(lián)度值始終處于P1＞P2＞P3的順序，說明混凝土水灰比越小，混凝土材料的耐久性越強(qiáng)；在M組試驗(yàn)中，M2的關(guān)聯(lián)度值始終為最大值，說明摻入一定量的粉煤灰能夠提高混凝土材料的耐久性，且最優(yōu)摻量處于20%左右。在N組試驗(yàn)中，N1、N3的關(guān)聯(lián)度值差距較小，說明摻入引氣劑能夠增加混凝土材料的耐久性，但是實(shí)際效果并不明顯。

4 結(jié)束語

本文為更好評(píng)估碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)加濕多因素耦合作用下混凝土的耐久性，引用灰色關(guān)聯(lián)度法，為驗(yàn)證多因素耦合作用下混凝土材料的耐久性，以混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率與相關(guān)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)混凝土材料耐久性的指標(biāo)。降低了主觀因素對(duì)于評(píng)估結(jié)果的影響，降低計(jì)算難度。但是本文僅考慮了三個(gè)評(píng)估指標(biāo)，存在評(píng)估指標(biāo)較少的問題，仍需根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行改善。